美國能源部宣布重大核聚變突破：國家點火裝置實現(xiàn)凈能量增益

美國的物理學家和能源部官員透露了一項突破，稱有朝一日可能會產(chǎn)生真正的零碳能源。

上圖：激光照射到容納目標燃料艙的空腔。

美國能源部本周二上午宣布，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）的科學家在核聚變反應(yīng)中實現(xiàn)了凈能量增益，這是人類尋求可靠、零碳能源的一個引以為豪的目標。

(資料圖)

成功的聚變反應(yīng)并不是什么新鮮事，但該領(lǐng)域從一開始就一直在努力解決一個大問題：科學家們無法從反應(yīng)中獲得比他們必須投入的更多的能量。但現(xiàn)在，這已經(jīng)實現(xiàn)了。

英國《金融時報》周日最先報道了美國加州國家點火裝置（National Ignition Facility）的這一重大結(jié)果；這個消息今天得到了美政府官員的證實。在美國能源部新聞發(fā)布會上，科學家和政策專家描述了最近的這項突破。

核安全副部長兼國家核安全管理局局長吉爾·赫魯比（Jill Hruby）在新聞發(fā)布會上說，實現(xiàn)點火意味著科學“向可能徹底改變世界的清潔能源邁出了初步的試探性步驟”。

美國能源部證實，該設(shè)施于美國東部時間12月5日凌晨1點實現(xiàn)了點火。美國國家核安全管理局（National Nuclear Security Administration）負責國防項目的副局長馬文·亞當斯（Marvin Adams）直言不諱地解釋了這一結(jié)果：“大約2兆焦耳輸入，大約3兆焦耳輸出?！?/p>

核聚變是一種熱核反應(yīng)，兩個輕原子核融合形成一個較重的原子核。這個反應(yīng)釋放出巨大的能量 —— 愛因斯坦的 E = mc2 在起作用。核聚變是一種為恒星提供動力的反應(yīng)，如果人類能夠可靠而有效地在地球上重現(xiàn)這種反應(yīng)，我們就可以大幅減少（如果不是完全放棄）骯臟的碳基燃料來源。（核電站依賴于核裂變，這是一種不同的過程，產(chǎn)生的能量比核聚變少，并會產(chǎn)生放射性廢物，而核聚變則不會。）

核聚變可以通過不同的方式實現(xiàn)。國家點火設(shè)施（NIF）是最近取得突破的地點，它進行基于激光的核聚變。在最近的實驗中，實驗室的團隊將192束激光聚焦在一個胡椒粒大小的目標附近，這個目標位于比鏡子光滑100倍的鉆石殼（靶倉）中，向目標傳遞的能量驚人，比你眨眼的速度快10億倍。極端的溫度（超過1億華氏度）和壓力（超過1000億個地球大氣壓）在目標中誘導核聚變。

上圖：激光慣性約束的靶倉。

馬文·亞當斯說：“這一切以前都發(fā)生過，上百次了。但上周，他們第一次設(shè)計了這個實驗，使聚變?nèi)剂媳３肿銐虻臏囟?、足夠的密度和足夠的圓形，足夠長的時間，從而將它點燃。它產(chǎn)生的能量比激光沉積的能量還要多?！?/p>

激光核聚變只是模擬太陽強烈物理現(xiàn)象的一種方式?？茖W家還可以在托卡馬克和恒星器中催化核聚變，這些甜甜圈和油條形狀的容器可以產(chǎn)生磁場來限制等離子體。激光核聚變是短暫的，發(fā)生在高壓和高密度下，而磁聚變在低壓力和低密度下工作很長一段時間。

麻省理工學院等離子體科學與聚變中心的物理學家、麻省理工學院與CFS合作項目的成員馬丁·格林沃爾德（Martin Greenwald）表示，這一結(jié)果是“該領(lǐng)域成熟的標志，也是基礎(chǔ)科學得到驗證的標志”。但是，他說，要使這門科學在更大范圍內(nèi)成為一種實用的能源，還存在重大障礙。

馬丁·格林沃爾德補充說：“雖然這是一項技術(shù)杰作，但這項實驗所采用的一般方法需要技術(shù)的非凡進步，才能將其用作能源。對我們許多人來說，這似乎不太可能導致一個實用的核聚變動力系統(tǒng)。因此，我們正在尋求磁約束方法?！?/p>

在托卡馬克中證明磁聚變技術(shù)可行性的最大努力之一是ITER，它在完成時將包含有史以來最大的超導磁體，重達23000噸。ITER的目標是產(chǎn)生比產(chǎn)生反應(yīng)所需能量多10倍的能量。

同時，ITER的一位發(fā)言人也宣稱 NIF 的結(jié)果是“核聚變能源的歷史性成就”。

核聚變研究的一個長期說法是，通過核聚變實現(xiàn)清潔能源革命總是幾十年以后的事。而勞倫斯利弗莫爾國家實驗室主任金·布迪爾（Kim Budil）則表示：“我不認為是60年，也不認為是50年。我認為它正在走向前景，通過共同努力和投資，對基礎(chǔ)技術(shù)進行幾十年的研究，我們就能夠建造一座發(fā)電廠?！?/p>

事情似乎變得越多，它們就越保持不變。

核聚變中最重要的字母可能是Q，它表示用于反應(yīng)的功率與輸出功率的比率。在今天之前，JET托卡馬克保持著能量輸出的紀錄，Q值為0.67，這是早在20世紀90年代就創(chuàng)造的。

盡管國家點火設(shè)備的激光聚變是一個非常不同的實驗裝置，但它現(xiàn)在已經(jīng)達到了Q值為1。

上圖：國家點火設(shè)施的靶室。

但上周的點火有一些重大的警告：首先，需要大量的能量來為這些激光器供電，正如國家實驗室主任金·布迪爾所說，大約需要300兆焦耳的能量來驅(qū)動激光向目標發(fā)射2兆焦耳的能量，產(chǎn)生3兆焦耳的聚變能量。

布迪爾說：“國家點火設(shè)施一直致力于創(chuàng)造這第一步。如果我們不能在實驗室里點燃容器，你就看不到通向慣性約束聚變能源工廠的途徑。所以這是必要的第一步?！?/p>

“現(xiàn)在我們有了一個可以點火的容器，我們需要弄清楚，我們能讓它更簡單嗎？”布迪爾補充道?！拔覀兡荛_始讓這個過程變得更容易、更可重復嗎？我們能開始一天多做幾次嗎？”

當然，12月5日點火的數(shù)據(jù)還需要進行更深入的分析，這有望為其他實驗團隊提供如何實現(xiàn)這些多重目標的信息。在新聞發(fā)布會后舉行的技術(shù)小組會議上，Target 制造項目經(jīng)理邁克爾·斯塔德曼（Michael Stadermann）表示，12月5日點火裝置使用的殼存在缺陷，這意味著該團隊希望在不久的將來也能達到或改進相同的結(jié)果。

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關(guān)鍵詞： 托卡馬克 等離子體